岷江上游槽谷曲流段大型古滑坡成因與復活性分析
——以松潘縣元壩子古滑坡為例

魏昌利，張 瑛，馮文凱，楊志華，陳 亮

(1.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；2.四川省地質(zhì)調(diào)查院，四川 成都 610081；3.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所，北京 100081)

岷江上游位于青藏高原向四川盆地的過渡地帶，山高谷深、褶皺斷裂發(fā)育、巖體破碎、地震活動頻繁，加之降水充沛、人類工程活動沿河且集中，滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害發(fā)育[1～5]。近年來，岷江源區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展，旅游開發(fā)、城鎮(zhèn)、公路、鐵路建設等工程逐漸增多，地質(zhì)災害問題也日益凸出。

已有研究表明，在岷江干流及其主要支流的深切峽谷河段地質(zhì)災害尤其發(fā)育、危害嚴重[6～8]。而在靠近分水嶺部位的槽谷曲流河段，由于地殼抬升緩慢，河谷寬、岸坡緩，降雨量偏少，地質(zhì)災害相對較少，也多被認為發(fā)生大型滑坡的可能性小，沒有引起特別關注。但通過筆者近年在該區(qū)域的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)在岷江上游紅橋關至西寧關的槽谷曲流段兩岸大型滑坡卻密集發(fā)育，從紅橋關至西寧關25.4 km槽谷曲流河段共發(fā)育大型滑坡14 處，平均線密度達1.81 處/km，遠高于其上游、下游河段。這些古滑坡多具有地震滑坡的特征。特別是近年來人類工程活動快速擴張，加之該區(qū)域進入地震頻發(fā)期，以及氣候變化、降雨量增多，導致了一些古滑坡復活。例如，國道G213川主寺隧道南出口滑坡是一個巨型古滑坡，施工導致隧道口滑坡體局部復活[6]；紅花屯古滑坡因成蘭鐵路切坡及強降雨，導致120×104m3古滑坡堆積體發(fā)生復活，花費巨資治理[7]；元壩子滑坡、俄寨滑坡等也都出現(xiàn)局部復活跡象。

已有研究認為，該區(qū)多期、密集發(fā)育的斷裂，變質(zhì)、破碎的巖體及斜坡結(jié)構(gòu)是滑坡形成的基本條件；頻發(fā)的地震，以及干旱、融雪、降雨交替的氣候是主要誘發(fā)因素。研究這些古滑坡的特征、成因機理和演化過程，評價其穩(wěn)定性和復活性，對于該地區(qū)地質(zhì)災害的早期識別和風險防范意義重大。因此，本文在分析岷江上游槽谷曲流段自然地理、地質(zhì)環(huán)境的基礎上，總結(jié)了大型古滑坡的特征及分布規(guī)律，研究其成因機理和復活性，并以元壩子滑坡為例，研究滑坡形成條件、成因機理與演化過程，對其穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢做了評價。

1 岷江上游曲流段孕災背景

1.1 自然地理條件

岷江上游槽谷曲流河段位于松潘縣紅橋關至西寧關之間的岷江干流上，全長25.4 km。該河段靠近岷江源頭，紅橋關距岷江分水嶺——弓嘎嶺約30 km，控制流域面積1 420 km2，流量3.2～20.3 m3/s，平均5.5 m3/s。曲流河段谷底海拔高程2 710～2 960 m，平均縱坡降1%，谷寬600～700 m，谷坡18°～22°。兩側(cè)山脊海拔高程3 400～4 500 m，屬圓頂中高山地貌。

研究區(qū)屬高山寒溫帶氣候，多年平均降水量728.4 mm，呈雙峰型，5—7月最高，8月略低，9月略高，11月至次年2月為枯季。20分鐘最大降水量為21.4 mm，1小時最大降水量25.3 mm，24小時最大降水量45.5 mm；多年平均氣溫5.9 ℃，極端最高溫度30.9 ℃，最低溫度-23.1 ℃。

1.2 地質(zhì)環(huán)境

研究區(qū)以岷江干流為界，西側(cè)為岷江推覆構(gòu)造帶之大溝推覆體，由東向西平行發(fā)育NNW向延伸的高屯子向斜、大溝向斜和阿英平梁向斜，并被大溝斷層切斷。東側(cè)以雪山斷裂為界，北部為摩天嶺地塊，由南向北平行發(fā)育NEE向延伸、向北凸出的黑賬房背斜、三塘水向斜和林坡背斜；南部為雪寶頂東西向構(gòu)造帶，發(fā)育NWW向延伸的郎求向斜、大寨鄉(xiāng)背斜、麻子寨向斜和麻子寨斷層。新構(gòu)造運動主要表現(xiàn)為多階段、不均衡的抬升、震蕩和掀斜，岷江河谷較寬闊，發(fā)育不對稱的多級階地，西岸抬升較快階地窄小，東岸階地地形平緩，階地發(fā)育較好。

研究區(qū)地處松潘—龍門山地震區(qū)，地震活動較頻繁，附近有記錄的較大地震主要有638年紅花屯5級地震、1960年漳臘6.75 級地震、1953年扎尕山5.5級地震、1933年疊溪7.5 級地震、1976年松潘—平武兩次7.2 級地震，以及2008年汶川8.0 級地震。研究區(qū)地震動峰值加速度為0.20g，地震動特征譜周期為0.40 s。

2 岷江上游曲流段大型古滑坡特征、成因及復活性分析

2.1 滑坡特征

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，岷江上游紅橋關至西寧關發(fā)育的14處大型古滑坡(圖1、表1)，其中岷江右岸6處、左岸8 處?；麦w方量100×104～770×104m3，總方量約4 000×104m3。這些滑坡都沿岷江斷裂帶分布，且均屬巖質(zhì)滑坡，巖性主要為三疊系中、上統(tǒng)較為破碎的板巖、變質(zhì)砂巖、千枚巖等，巖體風化破碎帶厚度一般為30～60 m，同時現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些滑坡大多從坡頂啟動，滑動距離較遠，從坡頂直達最低處的岷江河谷呈現(xiàn)“一滑到底”特征。從發(fā)生滑坡后殘留的滑壁分析，大部分滑坡具有不連續(xù)的滑動面，且剪出口位置相對較高，一般位于斜坡中下部。

2.2 滑坡成因及復活性分析

這些滑坡分布于岷江兩岸，左岸多屬順向坡，右岸多屬逆向坡，滑坡發(fā)育于岷江斷裂帶的變質(zhì)巖地層，岷江斷裂破碎帶寬度數(shù)十米至數(shù)百米，兩側(cè)巖層受強烈擠壓破碎嚴重[8]，新構(gòu)造活動形跡明顯，地震活動強烈，有記載的中、強地震有7 次，其中公元638年在紅花屯附近發(fā)生5.7級地震，1960年在漳臘發(fā)生6.75 級地震，1953年在西格堡岷江西支斷裂上發(fā)生5.5 級地震。因此分析認為強烈的地震是該地段大型滑坡集中的主要原因，通過現(xiàn)場調(diào)查也證實這些滑坡具有滑動距離較遠、滑動面不連續(xù)、剪出口較高、一滑到底等典型的地震滑坡特征[14]。經(jīng)地質(zhì)分析、測年鑒定，這些滑坡是更新世以來形成的古滑坡?，F(xiàn)場定性判定目前滑坡整體穩(wěn)定性均較好，但其中10 處滑坡因江水沖刷、工程開挖局部不穩(wěn)定，在強震或持續(xù)、強降雨條件下，滑坡堆積體可能局部復活。

圖1 岷江上游槽谷曲流段大型古滑坡分布圖Fig.1 Distribution of large ancient landslides in the meandering trough valley in the upper reaches of the Minjiang river1—大型滑坡及編號；2—曲流河段；3—河流；4—地震震中；5—斷層

3 元壩子古滑坡成因機理與演化過程

松潘縣十里鄉(xiāng)元壩子滑坡為區(qū)內(nèi)典型滑坡，滑坡位于岷江上游槽谷曲流段岷江干流左岸，處于岷江大拐彎的凹岸(圖2)。斜坡結(jié)構(gòu)為逆向坡，滑坡左右側(cè)各發(fā)育一條沖溝，滑體巖性為板巖和變質(zhì)砂巖，巖體破碎嚴重，風化破碎帶厚度達幾十米厚，且滑坡區(qū)緊鄰岷江斷裂和雪寶頂斷裂兩大區(qū)域性斷裂。這些地質(zhì)背景代表了該區(qū)段地震滑坡的普遍特征，為地震條件下發(fā)生滑坡提供了十分有利的條件，而且由于該滑坡剛好處于岷江大拐彎凹岸，坡腳受岷江江水沖刷十分強烈，出現(xiàn)了明顯的局部復活跡象，同時，正在建設中的成蘭鐵路從滑坡前緣約150 m處順河穿過。因此，以下我們著重研究元壩子滑坡的成因機理及演化過程，對該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災害研究、成蘭鐵路建設提供一定的參考。

表1 岷江上游槽谷曲流段大型古滑坡特征表

圖2 元壩子滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Engineering geological map of the Yuanbazi landslide

3.1 地質(zhì)背景條件

元壩子滑坡構(gòu)造上位于雪寶頂東西向構(gòu)造帶西北角，郎求向斜近軸部，北距東西走向的雪山斷裂約700 m，西則緊鄰南北走向的岷江斷裂。

滑坡區(qū)基巖地層為三疊系上統(tǒng)新都橋組(T3xn)深灰—灰黑色含炭質(zhì)板巖、粉砂質(zhì)板巖、鈣質(zhì)板巖，局部夾灰色薄—中層狀不穩(wěn)定砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)砂巖。岷江左岸巖層產(chǎn)狀40°∠20°，屬逆向坡；岷江右岸巖層陡立，產(chǎn)狀106°∠80°?；聟^(qū)地下水主要為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水?；鶐r裂隙水賦存于三疊系上統(tǒng)新都橋組板巖、砂巖裂隙中，富水性較好，主要受降雨、融雪補給，向岷江河谷方向徑流，在谷底、地形轉(zhuǎn)折部位補給松散堆積體。松散巖類孔隙水零星分布，滑坡堆積體富水較差。

3.2 滑坡基本特征

元壩子滑坡前緣臨江，海拔高程2 888 m，后緣最高海拔3 238 m，相對高差350 m?；掠覀?cè)以山脊為界，左側(cè)以溝谷為界。滑坡縱長約780 m，上寬下窄，中后部最寬約480 m，前緣寬約250 m?；聟^(qū)面積26.2×104m2，其中堆積體面積18.9×104m2，滑體平均厚度15.5 m，體積293×104m3，規(guī)模大型，滑坡主滑動方向249°(圖3)。

圖3 元壩子滑坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.3 Engineering geological profile of the Yuanbazi landslide

滑坡區(qū)平均地形坡度約23°，滑源區(qū)較陡，一般25°～35°，堆積區(qū)較緩，一般20°～25°。滑坡體厚度一般10～25 m，中部最厚處近30 m。滑體物質(zhì)主要為含角礫粉質(zhì)黏土、碎石角礫土；含角礫粉質(zhì)粉土，灰色、灰褐色，可塑狀，角礫含量約占10%～40%，粒徑一般5～15 mm，成分以砂巖、板巖為主，該層主要分布于地表，厚度一般5～10 m，局部夾于下部角礫土中；碎石角礫土，灰、深灰色，中密-密實，粒徑一般2～15 cm，角礫含量約占40%～50%，碎石含量約占30%～40%，少量砂、粉質(zhì)黏土充填，成分為砂巖、板巖，強風化狀，該層分布于滑動面以上，厚度一般10～25 m?；瑤林饕獮樯罨疑圪|(zhì)黏土，可塑狀，含少量角礫、腐殖質(zhì)、貝殼等，厚度0.1～0.5 m。據(jù)鉆孔揭露，滑床上段為三疊系上統(tǒng)新都橋組砂板巖，下段為第四系上更新統(tǒng)飛機壩組圓礫卵石土。

3.3 成因機理分析

根據(jù)滑坡地面、滑面形態(tài)和堆積物現(xiàn)狀復原滑坡原始地形(圖3)可以看出，滑坡原始地面線呈階梯型。上部滑源區(qū)接近分水嶺，地形坡度較緩；中部剪出口段地形坡度較陡，約35°～45°，提供了良好的臨空條件；下部滑覆堆積區(qū)二、三級階地地形坡度相對較緩。

滑坡區(qū)緊鄰岷江斷裂和雪寶頂斷裂兩大區(qū)域性斷裂，且地震活動頻繁，三疊系上統(tǒng)新都橋組板巖、砂巖破碎嚴重，風化破碎帶發(fā)育深度達數(shù)十米，為滑坡發(fā)生提供了物質(zhì)基礎。該基巖地層產(chǎn)狀40°∠20°，屬傾向坡內(nèi)的逆向斜坡，僅在降雨條件下很難形成滑坡。

從滑動面形態(tài)分析，從上至下呈陡—緩—陡的變化，第一個緩平臺具地震拋射滑面特征。據(jù)鉆孔揭露，中、前部滑坡體覆蓋在二、三級階地堆積的圓礫、卵石土上，而不是被向前推擠，仍呈現(xiàn)出地震滑覆的特征。從滑源區(qū)和堆積物推斷，滑坡滑動距離150～350 m，最遠達400 m以上，平均休止角21°。

滑坡堆積體物質(zhì)細碎、結(jié)構(gòu)較致密，表現(xiàn)出充分解體及后期固結(jié)的特點。鉆孔揭露中前部滑動帶土(滑床為上更新世圓礫、卵石土)中含有樹木殘體，取樣后在美國BETA實驗室進行14C測年，測年結(jié)果為11 250±40 a，證明該滑坡為晚更新世末形成的古滑坡。

3.4 滑坡觸發(fā)因素模擬分析

根據(jù)反演推測的滑前原始地形，采用FLAC3D軟件模擬暴雨和地震工況下的變形特征，分析滑坡觸發(fā)因素?；瑒忧盀榛鶐r斜坡，滑體為風化破碎砂巖、板巖，根據(jù)調(diào)查、反演和地區(qū)經(jīng)驗確定模擬參數(shù)，風化破碎砂巖、板巖參考碎石土取值。

結(jié)果顯示，暴雨工況下，坡體處于完全飽水狀態(tài)，總位移從坡體內(nèi)部2.0 mm至坡表達到最大1.7 cm(圖4)，水平位移從坡體內(nèi)2.0 mm至坡表達到最大1.3 cm，垂向位移從坡體內(nèi)2.0 mm至坡表最大1.2 cm。坡體中部存在應力集中，剪應變主要集中在坡體中上部，但剪應變值較小，剪應變增量集中在坡體中上部，但未貫通(圖5)。

圖4 暴雨狀態(tài)下總位移場特征Fig.4 Characteristics of the total displacement field under heavy rain

圖5 暴雨狀態(tài)下剪應變增量特征Fig.5 Characteristics of the shear strain increment under heavy rain

地震工況下，地震加速度取0.2g，坡體發(fā)生變形破壞，總位移從坡體內(nèi)部5.0 cm至坡表達到最大約36.1 cm(圖6)，水平位移從坡體內(nèi)2.0 cm至坡表達到最大8.6 cm，垂向位移從坡體內(nèi)5.0 mm至坡表達到最大35.5 cm。坡體中部出現(xiàn)較明顯的剪應變集中帶，剪應變增量集中在坡體中上部，且發(fā)生貫通(圖7)，斜坡穩(wěn)定性變差。

對比顯示，原始斜坡對地震的敏感性明顯強于暴雨，因此推測元壩子滑坡是由地震引發(fā)的古滑坡。

圖6 地震狀態(tài)下總位移場特征Fig.6 Characteristics of the total displacement field under earthquake

圖7 地震狀態(tài)下剪應變增量特征Fig.7 Characteristics of the shear strain increment under earthquake

3.5 滑坡演化過程分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析認為，元壩子滑坡發(fā)生至今大致經(jīng)歷了四個階段：(1)在原始地形下，晚更新世河床形成，受臨空面影響后緣頂部產(chǎn)生拉張裂縫(圖8a)；(2)受歷史地震誘發(fā)，發(fā)生地震滑坡，滑動距離150～350 m，滑坡堆積物覆蓋于下方河流階地之上(圖8b)；(3)滑坡發(fā)生后，后期河流下切，形成現(xiàn)代河床(圖8c)；(4)由于滑坡位于岷江凹岸，坡腳長期受江水沖刷，滑坡前緣產(chǎn)生局部復活滑動(圖8d)。

4 元壩子滑坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

圖8 滑坡演化過程示意圖Fig.8 Schematic diagram showing the evolution process of the landslide1—砂板巖；2—圓礫卵石土；3—滑坡裂縫；4—樹木

采用傳遞系數(shù)法對滑坡堆積體現(xiàn)狀穩(wěn)定性進行計算(圖9)。計算參數(shù)根據(jù)勘查測試、反演計算結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗確定：滑體土天然重度20 kN/m3，飽和重度21.5 kN/m3，滑帶土內(nèi)摩擦角20°，內(nèi)聚力30 kPa，水平地震力參數(shù)0.16，計算結(jié)果顯示古滑坡堆積體整體在天然、地震工況下穩(wěn)定性好，在極端暴雨工況下基本穩(wěn)定—欠穩(wěn)定，在暴雨和地震同時作用下滑坡不穩(wěn)定(表2)。

圖9 滑坡穩(wěn)定性計算剖面示意圖Fig.9 Schematic profile showing the stability computation of the landslide

計算剖面穩(wěn)定性系數(shù)天然工況地震工況暴雨工況暴雨+地震工況Ⅰ-Ⅰ'1.321.171.100.98Ⅱ-Ⅱ'1.331.181.020.91

目前，元壩子滑坡出現(xiàn)局部變形復活現(xiàn)象。在堆積體前緣左側(cè)發(fā)育一處小型滑坡，平面形態(tài)呈半圓形，長150 m，前緣最寬145 m，體積8.7×104m3；堆積體中部沖溝邊緣發(fā)育一處淺表層小型滑坡，呈弧形，長30 m，寬60 m，體積2 300 m3；在堆積體中上部發(fā)育一條與斜坡平行的裂縫，斷續(xù)延伸約15 m，寬5～20 cm，最大可見深度50 cm。江水沖刷是前緣復活的主要原因，降雨、融雪滲入增加巖土重度，降低裂隙面、滑帶土抗剪強度，也是局部變形復活的原因。

5 結(jié)論

(1)岷江上游槽谷曲流段因其特殊的自然、地質(zhì)環(huán)境條件，從紅橋關至西寧關25.4 km河道兩側(cè)共發(fā)育大型古滑坡14 處，這些滑坡多具地震滑坡的特征，目前整體穩(wěn)定性較好，但個別因江水沖刷、工程開挖等誘發(fā)因素而導致局部復活。

(2)元壩子古滑坡位于岷江上游槽谷曲流段岷江大拐彎凹岸，縱長約780 m，中部最寬處約480 m，滑坡區(qū)面積26.2×104m2，平均厚度15.5 m，體積293×104m3，通過測年及數(shù)值模擬分析確定該滑坡為晚更新世由歷史地震誘發(fā)的大型巖質(zhì)古滑坡。

(3)分析認為，元壩子滑坡從發(fā)生至今經(jīng)歷了斜坡裂縫擴展、地震滑坡、河流下切和前緣復活等演化過程。同時，通過穩(wěn)定性計算分析認為元壩子古滑坡堆積體在天然、地震工況下穩(wěn)定性好，在極端暴雨工況下處于基本穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨和地震同時作用下可能失穩(wěn)。

(4)建議加強對包括元壩子滑坡在內(nèi)的岷江上游槽谷曲流段大型滑坡穩(wěn)定性的監(jiān)控，避免產(chǎn)生滑坡堵江事件，確保區(qū)內(nèi)成蘭鐵路以及當?shù)鼐用裆敭a(chǎn)安全。